張 抒,范國(guó)權(quán),高艷玲,張 威,邱彩玲,申 宇,魏 琪,劉 凱,呂典秋*
(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物脫毒苗木研究所,黑龍江 哈爾濱 150086;2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150086)
馬鈴薯甲蟲(Leptinotarsa decemlineata),隸屬于鞘翅目(Coleoptera)葉甲科(Chrysomelidae)。成蟲體長(zhǎng)10 mm,卵圓形。橘黃色,頭、胸部和腹面散布大小不同的黑斑,各足跗節(jié)和膝關(guān)節(jié)黑色,每鞘翅上有5個(gè)黑色縱條紋。馬鈴薯甲蟲是世界著名的毀滅性檢疫害蟲,分布遍及整個(gè)北半球,可以適應(yīng)大約20種野生和栽培的茄科植物,其中危害最嚴(yán)重的是其視為首選寄主的栽培馬鈴薯(Solanum tuberosum)。這種害蟲可以使植株脫葉程度達(dá)到75%[1],可導(dǎo)致馬鈴薯產(chǎn)量損失高達(dá)40%~80%[2]。馬鈴薯甲蟲也是中國(guó)重要的外來(lái)入侵物種和對(duì)外重大檢疫對(duì)象,馬鈴薯甲蟲已經(jīng)被列入《中華人民共和國(guó)進(jìn)出境植物檢疫有害生物名錄》[3]和“中國(guó)最具危險(xiǎn)性的20種外來(lái)入侵物種”名單[4]。
馬鈴薯甲蟲起源地為美國(guó)落基山脈東坡,首次發(fā)現(xiàn)是在一種野生雜草刺萼龍葵(S.rostratum)上,1824年被記述為新種[5]。19世紀(jì)40年代中期,由于栽培馬鈴薯在美洲的大面積種植,馬鈴薯甲蟲的寄主范圍也發(fā)生了翻天覆地的變化,從原來(lái)僅有的野生寄主擴(kuò)大到包括栽培馬鈴薯在內(nèi)的諸多茄科作物上,使馬鈴薯甲蟲在美洲快速的擴(kuò)散。19世紀(jì)60年代中期,馬鈴薯甲蟲在美國(guó)中西部危害馬鈴薯,并在20年內(nèi)以每年100 km的速度擴(kuò)散傳播到美國(guó)西海岸[6]。20世紀(jì)初,馬鈴薯甲蟲傳入法國(guó)。通過(guò)分析證實(shí),歐洲馬鈴薯甲蟲種群與北美馬鈴薯甲蟲的遺傳變異性很低,因此對(duì)于馬鈴薯甲蟲來(lái)說(shuō),對(duì)歐洲的入侵非常成功,地域的差異并未對(duì)馬鈴薯甲蟲的入侵產(chǎn)生太大的阻礙[7]。馬鈴薯甲蟲以平均每年50 km的速度擴(kuò)散,在大約30年內(nèi)征服了中歐的大部分地區(qū)。如今,馬鈴薯甲蟲已經(jīng)逐步傳播擴(kuò)散到北美洲、歐洲、亞洲、非洲的40多個(gè)國(guó)家[8-10]。
馬鈴薯甲蟲于1993年在中國(guó)新疆伊犁河谷地區(qū)和塔城地區(qū)的兩市一縣首次被發(fā)現(xiàn),僅用了2年時(shí)間,便擴(kuò)散至以上2個(gè)地區(qū)的15個(gè)市縣。在此后的25年中,馬鈴薯甲蟲以每年80 km的速度,沿著天山北坡向東擴(kuò)散,如今馬鈴薯甲蟲在北疆的直線擴(kuò)散距離已經(jīng)超過(guò)了800 km,分布面積達(dá)到30萬(wàn)km2,分布區(qū)域跨越了7個(gè)州(地、市)的38個(gè)區(qū)(縣、市)[11]。由于馬鈴薯甲蟲在俄羅斯已經(jīng)擴(kuò)散至遠(yuǎn)東濱海邊疆地區(qū),這也使中國(guó)東北地區(qū)成為了馬鈴薯甲蟲入侵中國(guó)的另一個(gè)入侵點(diǎn)。吉林琿春出入境檢驗(yàn)檢疫局于2013年在距中俄邊境線僅1 km的馬鈴薯田發(fā)現(xiàn)了馬鈴薯甲蟲的零星分布。2014,2015和2016年黑龍江連續(xù)在綏芬河、虎林等地發(fā)現(xiàn)馬鈴薯甲蟲。2018年6月8日,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳印發(fā)了《全國(guó)農(nóng)業(yè)植物檢疫性有害生物分布行政區(qū)名錄》(表1)。根據(jù)全國(guó)農(nóng)業(yè)植物有害生物調(diào)查,馬鈴薯甲蟲現(xiàn)分布中國(guó)3個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū))46個(gè)縣(區(qū)、市)。
馬鈴薯甲蟲從落基山脈擴(kuò)散到目前的全球范圍,實(shí)際上是由各種生理生態(tài)適應(yīng)的演變?cè)斐傻摹J紫?,馬鈴薯甲蟲的擴(kuò)散是基于新的昆蟲-植物相互作用的演變。對(duì)于馬鈴薯甲蟲來(lái)說(shuō),“舊的”寄主和“新的”寄主均可以被取食,因此這個(gè)過(guò)程被稱為寄主擴(kuò)散[12]。而且,馬鈴薯甲蟲種群在新寄主上也表現(xiàn)出了多樣性,甚至在一些地區(qū),馬鈴薯甲蟲通過(guò)進(jìn)化提高了對(duì)其他茄科作物的適應(yīng)性,從而成為了茄子和番茄的主要害蟲。此外,馬鈴薯甲蟲種群的寄主范圍不僅限于栽培茄科植物,還可以危害一些野生茄屬植物,雖然野生茄屬植物與栽培馬鈴薯相比由于缺少施肥和灌溉,因此繁茂度較低[13],但是這些替代寄主可以在馬鈴薯長(zhǎng)出葉片之前或者在馬鈴薯甲蟲爆發(fā)期間當(dāng)馬鈴薯植株耗盡時(shí)為馬鈴薯甲蟲提供額外的食物。此外,馬鈴薯甲蟲種群在生命史中具有足夠的遺傳變異,這是新環(huán)境中適應(yīng)性策略演變的先決條件。隨著馬鈴薯種植范圍的擴(kuò)大,馬鈴薯甲蟲對(duì)面臨的各種不利條件也進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。例如,俄羅斯的氣溫與其他歐洲地區(qū)相比要低的多,為了適應(yīng)俄羅斯的低溫環(huán)境,馬鈴薯甲蟲俄羅斯種群表現(xiàn)出了更快的繁殖速度,更高的存活率以及更快的生長(zhǎng)速度,并延長(zhǎng)了在土壤中越冬的時(shí)間[14]。
表1 馬鈴薯甲蟲分布行政區(qū)名錄(2018)Table 1 Administrative district distribution of Colorado potato beetle
馬鈴薯甲蟲作為一種世界性入侵有害生物,能夠成功入侵40多個(gè)國(guó)家還有其他幾個(gè)原因。
(1)分泌蛋白,抵御天敵。馬鈴薯甲蟲幼蟲和成蟲會(huì)產(chǎn)生馬鈴薯甲蟲毒蛋白(一種神經(jīng)毒素),保護(hù)其免受天敵捕食。馬鈴薯甲蟲天敵主要為一些節(jié)肢動(dòng)物寄生蟲和天敵昆蟲,如瓢蟲(Coleomegilla maculata),蝽(Perillus bioculatus)或步甲(Lebia grandis)等,天敵昆蟲可以顯著降低馬鈴薯甲蟲群體數(shù)量[15-17]。但是,由于并非所有的馬鈴薯甲蟲天敵都可以跟隨馬鈴薯甲蟲到新的定殖地,所以馬鈴薯田間這些天敵昆蟲的密度通常不足以危及馬鈴薯甲蟲種群數(shù)量。例如,20世紀(jì)60年代,歐洲曾經(jīng)嘗試引進(jìn)美國(guó)馬鈴薯甲蟲天敵蝽(P.bioculatus),在斯洛伐克、法國(guó)、德國(guó)、波蘭、俄羅斯、意大利和匈牙利的馬鈴薯田大規(guī)模釋放,但這種馬鈴薯甲蟲天敵昆蟲卻無(wú)法在歐洲任何地方歸化[18]。
(2)馬鈴薯甲蟲以對(duì)殺蟲劑抗藥性增長(zhǎng)速度而聞名。針對(duì)馬鈴薯甲蟲進(jìn)行測(cè)試的殺蟲劑種類已經(jīng)多達(dá)數(shù)百種,但是無(wú)論使用砷、有機(jī)氯、氨基甲酸酯、有機(jī)磷酸酯或擬除蟲菊酯都不能破壞馬鈴薯甲蟲的適應(yīng)機(jī)制。馬鈴薯甲蟲可以通過(guò)誘導(dǎo)解毒酶,減少殺蟲劑滲透,增加殺蟲劑排泄或靶位點(diǎn)突變,降低其敏感性[19,20]。一些新應(yīng)用的殺蟲劑在第2年甚至第1年使用就已宣告失敗。例如,吡蟲啉是一種新煙堿類殺蟲劑,已經(jīng)使用超過(guò)10年的時(shí)間,可是在21世紀(jì)初馬鈴薯甲蟲就對(duì)其開始產(chǎn)生明顯抗性[21]。由于馬鈴薯甲蟲抗性的快速發(fā)展,更多的化學(xué)殺蟲劑被用于控制這種害蟲,在發(fā)達(dá)國(guó)家每年至少0.6 t的各種殺蟲劑被用于防治馬鈴薯甲蟲[20]。雖然許多新的殺蟲劑是針對(duì)馬鈴薯甲蟲開發(fā)和測(cè)試的[21],但任何一個(gè)都無(wú)法證明可以成功的防治這種貪婪的害蟲。
(3)馬鈴薯甲蟲生命周期的特點(diǎn)及可塑性也使得其種群適應(yīng)性大幅度提高。根據(jù)氣候情況,雌蟲每年可以產(chǎn)卵數(shù)次,并且雌蟲繁殖能力很強(qiáng)。在實(shí)驗(yàn)室條件下,每個(gè)雌蟲可以產(chǎn)下3 000多枚卵[22]。馬鈴薯甲蟲如此強(qiáng)大的繁殖速度保證了龐大的種群數(shù)量,因此在遇到惡劣條件時(shí)產(chǎn)生高適應(yīng)性遺傳變體的幾率也隨之增高,從而保證新的自適應(yīng)隨機(jī)突變的出現(xiàn)。這些舊的和新的遺傳變異體可以通過(guò)自然選擇快速提高抗性,并且擴(kuò)大抗性群體。此外,直到生殖成熟,大約25%的新羽化成蟲會(huì)在幼蟲(移動(dòng)能力較差)和蛹附近,因此一旦產(chǎn)生新羽化成蟲就會(huì)開始交配,已經(jīng)產(chǎn)生抗性的個(gè)體可以產(chǎn)生純合抗性的后代[23]。大多數(shù)馬鈴薯甲蟲雌蟲進(jìn)入冬季滯育,一部分種群可能將滯育期延長(zhǎng)2年以上,滯育使馬鈴薯甲蟲保持休眠狀態(tài),只有在條件變得有利之后才開始繼續(xù)繁殖。這種特性使得馬鈴薯甲蟲防控有效性大打折扣(如輪作和殺蟲劑的交替使用)。
食草昆蟲和植物之間的相互作用非常復(fù)雜,作為一個(gè)共同進(jìn)化的過(guò)程,已經(jīng)進(jìn)行了超過(guò)4億年的時(shí)間[24]。昆蟲不斷適應(yīng)并更有效的利用寄主植物,同時(shí)植物也不斷產(chǎn)生新的防御機(jī)制來(lái)抵御昆蟲的攻擊。在這種生物戰(zhàn)中,植物和昆蟲在互動(dòng)中互相改變,不斷前進(jìn)。
馬鈴薯甲蟲成蟲被植物揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile organic compounds,VOCs)吸引到寄主植物上。馬鈴薯甲蟲可以在距離50 m以內(nèi)感知到野外的這種揮發(fā)物質(zhì)[25],馬鈴薯VOCs對(duì)馬鈴薯甲蟲的敏感性和吸引力隨著馬鈴薯甲蟲饑餓度和性成熟的增加而增加[26]。馬鈴薯甲蟲通過(guò)識(shí)別植物揮發(fā)化合物來(lái)決定是否進(jìn)食。馬鈴薯甲蟲通過(guò)識(shí)別馬鈴薯VOCs將馬鈴薯與其他植物區(qū)分開來(lái),并且只有完整的馬鈴薯VOCs以非常特定的比例才可以吸引馬鈴薯甲蟲[27]。馬鈴薯甲蟲可以通過(guò)使用信息素和植物揮發(fā)性信號(hào)在馬鈴薯上聚集和繁殖。
在昆蟲取食茄科植物的同時(shí),茄科植物也具有相應(yīng)的防御機(jī)制,茄科植物中含有糖苷生物堿,如茄堿、卡茄堿、勒帕茄堿和垂茄堿,主要通過(guò)被吞食后發(fā)揮作用,而其中一些可能對(duì)馬鈴薯甲蟲幼蟲發(fā)育有負(fù)面影響[28]。然而,由于馬鈴薯甲蟲能夠耐受這些毒素[29]或具有解毒機(jī)制[30],因此馬鈴薯甲蟲依然可以以茄科植物為食。
馬鈴薯還存在第二道防線,即誘導(dǎo)型防線。物理傷害和馬鈴薯甲蟲反流的成分都能引起馬鈴薯的防御反應(yīng)。植物可區(qū)分物理傷害與昆蟲侵染[31],反流反應(yīng)基因包括僅對(duì)昆蟲攝食有反應(yīng)的基因和可通過(guò)昆蟲攝食來(lái)調(diào)節(jié)其表達(dá)的物理傷害反應(yīng)基因。目前顯示反流誘導(dǎo)了73個(gè)馬鈴薯基因,而通過(guò)向受傷葉片加入馬鈴薯甲蟲反流成分可抑制54個(gè)基因[32]。此外,馬鈴薯甲蟲的取食調(diào)節(jié)了29個(gè)葉蛋白的表達(dá),其中16個(gè)蛋白被下調(diào),而只有8個(gè)蛋白在受傷時(shí)表達(dá)發(fā)生改變[33]。許多表達(dá)的基因?qū)?yīng)于應(yīng)急相關(guān)的誘導(dǎo)蛋白,包括蛋白酶抑制劑(PI)、病原體應(yīng)答蛋白、過(guò)氧化物酶和多酚氧化酶,這些化合物在植物直接防御中是非常重要的。而且,通過(guò)馬鈴薯甲蟲的取食還能提高編碼參與間接防御基因的表達(dá),如吸引馬鈴薯甲蟲天敵揮發(fā)物的相關(guān)基因。
盡管馬鈴薯甲蟲取食啟動(dòng)了馬鈴薯防御機(jī)制,但是馬鈴薯甲蟲卻可以通過(guò)各種各樣的手段抑制或繞開這些馬鈴薯防御。同時(shí)馬鈴薯也不會(huì)坐以待斃,例如馬鈴薯甲蟲攝食會(huì)引起馬鈴薯光合作用相關(guān)組分的下調(diào),這既說(shuō)明碳源向防御的轉(zhuǎn)移,又會(huì)使植物葉片營(yíng)養(yǎng)價(jià)值降低[34],從而對(duì)昆蟲適應(yīng)性產(chǎn)生負(fù)面影響。此外,一些馬鈴薯可以識(shí)別出馬鈴薯甲蟲在葉片上產(chǎn)卵,并且使卵周圍形成壞死,葉片壞死之后卵塊從葉子上脫落,這是首先在波蘭的馬鈴薯田觀察到的一種現(xiàn)象。盡管卵從葉片掉落到地面對(duì)成蟲羽化或卵的孵化沒(méi)有影響,但是在田間條件下卻可以大幅度的降低新孵化幼蟲成功定殖馬鈴薯的比例[35]。
口岸部門應(yīng)做好出入境檢驗(yàn)檢疫工作,嚴(yán)禁馬鈴薯甲蟲由境外通過(guò)貨物或人員攜帶傳入境內(nèi)。在已發(fā)生馬鈴薯甲蟲的地區(qū),應(yīng)立即封鎖并采取撲滅措施,同時(shí)將此地區(qū)劃定為疫區(qū),在此地區(qū)生產(chǎn)的馬鈴薯不得調(diào)出。其他農(nóng)產(chǎn)品在調(diào)運(yùn)前應(yīng)進(jìn)行產(chǎn)地檢疫,避免由于農(nóng)產(chǎn)品調(diào)運(yùn)造成的疫情擴(kuò)散。在臨近疫區(qū)的區(qū)域也應(yīng)加強(qiáng)調(diào)運(yùn)貨物檢疫,并且運(yùn)載工具、包裝物等也需進(jìn)行消毒處理[36]。馬鈴薯甲蟲發(fā)生較嚴(yán)重地區(qū)應(yīng)在周圍建立隔離帶,隔離帶內(nèi)禁止種植茄科作物。馬鈴薯甲蟲零星發(fā)生地區(qū),除定點(diǎn)誘集監(jiān)測(cè)點(diǎn)外應(yīng)減少或禁止種植茄科作物。
4.2.1 輪作倒茬
馬鈴薯田應(yīng)采取輪作倒茬的種植模式[36,37],輪作可以減輕馬鈴薯土傳病害,又可降低馬鈴薯甲蟲的發(fā)生程度,輪作時(shí)要避免與其他茄科作物重茬,可以與小麥、玉米、大豆等作物輪作。輪作適用于馬鈴薯甲蟲發(fā)生較重地區(qū),零星發(fā)生地區(qū)應(yīng)在發(fā)生地塊繼續(xù)種植馬鈴薯,避免春季成蟲出土?xí)r需遠(yuǎn)離曾發(fā)生地覓食而導(dǎo)致的擴(kuò)散傳播。
4.2.2 集中誘殺
由于馬鈴薯甲蟲是一種專食性昆蟲,且在茄科作物中以馬鈴薯對(duì)馬鈴薯甲蟲的誘集力最強(qiáng),因此在馬鈴薯甲蟲發(fā)生較嚴(yán)重地區(qū),可集中種植馬鈴薯誘集帶,利用馬鈴薯甲蟲春季出土后會(huì)就近覓食、產(chǎn)卵,且活動(dòng)范圍小等特點(diǎn),對(duì)春季出土的馬鈴薯甲蟲集中誘殺。
針對(duì)馬鈴薯甲蟲零星發(fā)生地區(qū),也可設(shè)置馬鈴薯誘集帶,在春季馬鈴薯甲蟲出土?xí)r采用人工捕殺的方式進(jìn)行防治。針對(duì)馬鈴薯甲蟲零星發(fā)生地區(qū)不建議使用化學(xué)防治方法,以避免昆蟲抗藥性的積累。
4.2.3 深翻冬灌
馬鈴薯收獲后應(yīng)進(jìn)行秋整地,既可增加土壤疏松度,又可一定程度上破壞馬鈴薯甲蟲越冬場(chǎng)所。也可以采用冬灌的措施,殺死部分越冬成蟲和蛹,從而達(dá)到降低馬鈴薯甲蟲成功越冬幾率,減輕其危害[37]。
生物防治是應(yīng)用生物物種之間的關(guān)系,用有益生物消滅或抑制有害生物的一種方法。生物防治大致可以分為以鳥治蟲、以菌治蟲和以蟲治蟲這幾類,生物防治可避免環(huán)境污染、不產(chǎn)生抗藥性,與化學(xué)農(nóng)藥相比具有諸多優(yōu)勢(shì)。
4.3.1 利用捕食性天敵防治
新疆是中國(guó)最早發(fā)現(xiàn)馬鈴薯甲蟲的地區(qū),也是危害最嚴(yán)重的地區(qū),經(jīng)過(guò)中國(guó)科技工作者的不懈努力也為中國(guó)馬鈴薯甲蟲的防治提供了重要數(shù)據(jù)。研究表明,新疆馬鈴薯甲蟲發(fā)生區(qū)其天敵有46種,其中昆蟲天敵有25種,蜘蛛類有21種,尚未發(fā)現(xiàn)專一性捕食性天敵[38],如:中華草蛉(Chrysopa sinica)、多異瓢蟲(Adonia variegata)、中華長(zhǎng)腿胡蜂(Polistes chinesis)、華姬蝽(Nabis sinoferus)、草間小黑蛛(Hylyphantes graminicola)等[39,40]。
4.3.2 利用昆蟲病原微生物防治
昆蟲病原微生物是指可以寄生在昆蟲上并導(dǎo)致蟲體發(fā)病的微生物,如:綠僵菌(Metarhizium anisopliae)、擬青霉(Fungi imperficti)、球孢白僵菌(Beauveria bassiana)、蘇云金芽孢桿菌(Bacillus thuringiensis)等。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外廣泛開展了昆蟲病原微生物的分類、基因工程改造、致病機(jī)制、制劑開發(fā)等方面的工作,其中很多已應(yīng)用于生產(chǎn)。
4.3.3 利用生物源農(nóng)藥防治
生物源農(nóng)藥指從動(dòng)植物、微生物等中提取的活性成分或按活性結(jié)構(gòu)合成的化合物及衍生物,對(duì)作物施用后,可以殺死或抑制害蟲的生物制劑。按照來(lái)源不同可分為幾大類,主要包括:微生物源類殺蟲劑、植物源殺蟲劑、昆蟲生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑類殺蟲劑[38]。
4.3.4 利用RNA干擾技術(shù)防治
RNA干擾技術(shù)(RNA interference,RNAi)是指利用雙鏈RNA可以誘發(fā)與其序列同源的mRNA分子降解引起的基因沉默,實(shí)現(xiàn)抑制特定基因表達(dá)的一種技術(shù)。RNAi由于具有諸多優(yōu)點(diǎn)因此被迅速應(yīng)用到馬鈴薯甲蟲控制的研究中。目前,針對(duì)馬鈴薯甲蟲防治而被選擇的目標(biāo)基因主要有:乙酰膽堿酯酶蛋白運(yùn)輸?shù)鞍譻ec23,β-actin,衣被亞基β,液泡ATP合酶亞基A、B和E,3-羥基-3-甲基戊二酰-CoA還原酶,腺苷高半胱氨酸水解酶,保幼激素酯酶,甲基戊酸激酶,抗增殖蛋白,脯氨酸脫氫酶,細(xì)胞色素P450酶和蘭尼堿受體等[41],利用RNAi技術(shù)影響上述靶標(biāo)基因的正常表達(dá),從而達(dá)到防治馬鈴薯甲蟲的目的。
盡管馬鈴薯甲蟲防治手段有很多,但迄今為止最有效的防治方法仍然是化學(xué)農(nóng)藥。根據(jù)國(guó)內(nèi)外多年的防治經(jīng)驗(yàn),現(xiàn)今多種主流殺蟲劑對(duì)馬鈴薯甲蟲都有較高的防治效果,如:擬除蟲菊酯類殺蟲劑(高效氯氟氰菊酯、溴氰菊酯、甲氰菊酯等)及煙堿類殺蟲劑(噻蟲嗪、吡蟲啉等)。還有一些高毒化學(xué)農(nóng)藥也曾被使用在馬鈴薯甲蟲防治上,如:敵敵畏、樂(lè)果、久效磷、敵百蟲等有機(jī)磷、有機(jī)氯農(nóng)藥。但是正如前文提到的,馬鈴薯甲蟲以對(duì)殺蟲劑抗藥性增長(zhǎng)速度而聞名,因此在使用化學(xué)藥劑防治時(shí),需合理交替用藥,減少殺蟲劑抗性積累。馬鈴薯甲蟲零星發(fā)生地區(qū)不建議使用化學(xué)藥劑防治,盡量采用物理防治、生物防治等手段,以避免昆蟲抗藥性的積累。